Método para medir el peso molecular absoluto de polímeros sintéticos
MEDICIONES DEL PESO MOLECULAR ABSOLUTO
DE POLÍMEROS SINTÉTICOS
UTILIZANDO EL VISCOTEK SEC-MALS 20
Introducción
Las propiedades físicas y el comportamiento de los polímeros dependen en gran medida de las propiedades de las moléculas poliméricas. El peso molecular y la distribución del peso molecular, el tamaño molecular y la estructura afectan cómo se comportará el material.
La cromatografía de permeación en gel (GPC), también llamada cromatografía de exclusión por tamaño (SEC), es la herramienta más comúnmente utilizada para evaluar estos parámetros.
El principio de la GPC implica separar la muestra mientras pasa por una columna matriz porosa pero inactiva. Mientras las moléculas más pequeñas penetran más profundamente en los poros, las moléculas más grandes son excluidas y, por lo tanto, viajan más rápido a través de la columna. El resultado es una separación basada en el volumen hidrodinámico, pero el deseo es conocer el peso molecular de la muestra.
El sistema Malvern SEC-MALS 20 es un detector de dispersión de luz de 20 ángulos capaz de
realizar mediciones de peso molecular y Rg (radio de giro). Se utiliza como parte de un sistema GPC de múltiple detección que combina la dispersión de luz con otros detectores como índice de refracción (RI), ultravioleta (UV) y viscosidad intrínseca (IV) para generar una gran cantidad de información sobre una muestra simultáneamente.
En esta nota de aplicación, se mide el peso molecular, la distribución del peso molecular y el tamaño de dos polímeros comunes utilizando SEC-MALS. Los resultados de SEC-MALS se comparan con los de la calibración convencional y se discuten las diferencias.
Materiales y métodos
El sistema SEC-MALS 20 se conectó a un Viscotek GPCmax y a un detector Viscotek VE3580 RI.
Las muestras se separaron usando dos columnas Viscotek T6000M. La fase móvil fue THF estabilizada con 300 ppm BHT.
Las muestras se disolvieron durante la noche para asegurar su disolución completa.
El sistema SEC-MALS se calibró con un estándar de poliestireno trazable de 105 kDa.
La configuración de calibración convencional se calibró con una serie de estándares de poliestireno de pesos moleculares conocidos.
Todos los detectores y columnas se mantuvieron a 35°C para asegurar una buena separación y maximizar la estabilidad de la línea base.
Las dos muestras analizadas en esta nota son una muestra de poliestireno de distribución amplia con un peso molecular de 235 kDa (2.35 x 105g/mol) y una muestra de polimetilmetacrilato (PMMA) de distribución amplia. Ambas se disolvieron en la fase móvil y luego se corrieron a través del sistema.
Sus pesos moleculares se midieron utilizando tanto la calibración convencional como el SEC-MALS 20.
Resultados
Un cromatograma de la muestra de poliestireno de 235 kDa con alta polidispersidad se muestra en la figura 2A. La tabla insertada muestra el peso molecular medido.
El Viscotek SEC-MALS 20 mide la intensidad de dispersión de luz en 20 ángulos y los datos angulares completos se muestran en la figura 2B.
Las distribuciones de peso molecular y Rg se muestran en la figura 2C. Rg se ha medido a través de aproximadamente tres cuartos del pico, correspondiendo al área donde las moléculas son lo suficientemente grandes como para dispersar la luz anisotropicamente y, por lo tanto, tienen Rg medido, y esto se representa en la línea marrón.
Un gráfico de Debye que muestra la dependencia angular de la luz dispersada se muestra en la figura 2D. A un volumen de retención de aproximadamente 18 ml, el tamaño de las moléculas es lo suficientemente pequeño como para que sean dispersores isotrópicos, lo que significa que dispersan la luz uniformemente en todas las direcciones.
Un ejemplo de un gráfico de Debye de esta región se puede ver en la figura 2E. La pendiente de la línea es prácticamente cero y no se puede medir un Rg.
Por lo tanto, la distribución de Rg termina en aproximadamente 10 nm, que es el límite inferior de Rg para SEC-MALS, y se extrapola desde este punto hacia adelante.
Históricamente, las mediciones de peso molecular utilizando GPC se realizaban utilizando una curva de calibración convencional elaborada con una serie de estándares de peso molecular conocido.
Para este trabajo, se creó una curva de calibración utilizando una serie de estándares de poliestireno. La curva se puede ver en la figura 3 superpuesta en un cromatograma de PS400k, un estándar de 4×105 g/mol utilizado como parte de la curva de calibración.
Una muestra de polimetilmetacrilato (PMMA) se disolvió en la fase móvil y se separó en el sistema.
La figura 4 muestra su cromatograma superpuesto con la misma curva de calibración convencional de poliestireno. Los resultados de peso molecular se muestran en la tabla insertada.
Esta muestra se sabe que tiene un peso molecular de 9.5 x 104 g/mol a partir de mediciones de dispersión de luz de ángulo bajo (LALS).
Sin embargo, su peso molecular medido utilizando calibración convencional es de aproximadamente 85 kDa y, por lo tanto, es significativamente subestimado.
La razón de esto es que el PMMA tiene una relación diferente de tamaño/peso molecular en comparación con los estándares de poliestireno utilizados en la calibración, es decir, tiene una estructura diferente.
Moléculas de peso molecular similar, por lo tanto, eluirán a diferentes volúmenes de retención.
Esto confirma que si se utiliza poliestireno para crear una curva de calibración convencional y el PMMA es la muestra, el peso molecular medido será incorrecto.
Esta relación está realmente definida por la viscosidad intrínseca de la molécula, pero este parámetro se discute en otras notas de aplicación (ref MRK 1925).
Por otro lado, las mediciones de peso molecular por dispersión de luz son independientes del volumen de retención de la muestra.
Por lo tanto, cuando se mide esta muestra de PMMA, los resultados deberían ser más precisos.
Midiendo la muestra utilizando el SEC-MALS 20 de Viscotek se obtuvieron los resultados mostrados en la figura 5.
La figura 5A muestra el cromatograma de la muestra de PMMA incluyendo tanto las señales de RI como de SEC-MALS a 90°.
La tabla insertada muestra que el peso molecular medido es de 94 kDa, muy cercano al valor correcto medido por LALS.
Por lo tanto, el peso molecular ha sido medido por el SEC-MALS con mucha mayor precisión que por la calibración convencional.
El peso molecular medido se muestra en la figura 5C superpuesto en el cromatograma de RI. Como se discutió anteriormente para la muestra de poliestireno, utilizar MALS también permite la medición de Rg para moléculas lo suficientemente grandes como para dispersar la luz anisotropicamente.
La figura 5C muestra el Rg medido a través de la mayoría del pico. El Rg promedio medido es de 10.2 nm. En la parte descendente del pico, cuando el tamaño de las moléculas cae por
debajo de los 10 nm, ya no se puede medir el Rg, ya que la muestra está dispersando la luz isotrópicamente en esta región.
Discusión
La adición de la dispersión de luz como detector en un sistema GPC agrega la capacidad de medir con precisión el peso molecular de cualquier polímero, independientemente de su volumen de elución.
El Malvern
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